过程控制第5章

Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB实现两种或两种以上的物料量自动地保持一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。配料关系中，占主导地位的物料为主要物料、主动量、主流量；按照主动量进行配比的物料为从动物料、从动量、副流量。比值控制系统实质上是随动系统。5比值控制系统Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTBQ1是主流量，Q2是副流量。在稳态下，两种物料流量关系满足Q2=K*Q1的要求。系统简单，仅需一台比值器就可以实现；适用于从动物料平稳、扰动小的场合。无法克服从动物料的干扰。常见比值控制---开环比值控制系统Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB闭环系统的任务是尽快、精确地跟随主流量参数动作，一般采用比例积分控制。能克服副流量本身的干扰对比值的影响。结构形式比较简单，应用广泛。主流量不受控制，主流量可以任意变化，虽然两物料比值一定，但总的物料流量是不固定。不能保证动态比值恒定。常见比值控制---单闭环比值控制系统Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB主、副流量参数控制都组成闭合系统。能克服干扰对主流量的影响，确保两物料总量基本不变。常见比值控制---双闭环比值控制系统Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB按照某种工艺指标自动修正比值系数。实际上是以某种工艺参数为主变量，以两物料流量比值为副变量的串级控制系统，也称串级比值控制系统。流量比值只是控制手段，最终目的是保证产品质量指标。常见比值控制---变比值控制系统Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB主流量Q1的测量值乘以某一系数K作为副流量Q2控制器的设定值，Q2=K*Q1。比值控制实施方案---相乘方案Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB将主流量Q1和副流量Q2的测量值相除，其商代表两个信号的比值系数，Q2/Q1=K，作为比值控制器的测量值。可直接进行比值指示和比值越限报警等，较直观，并且比值可直接由控制器进行设定，操作方便。比值控制实施方案---相除方案Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB以DDZ-Ⅲ型仪表为例：max164QImAQmax4/16QImAQmA22max2111max44ImAQQKQImAQ1max212max44QImAKKImAQ仪表的比值设定系数Q1、Q2分别为主、副流量；Q1max、Q2max分别为主、副流量变送器的量程。比值系数的计算--流量与其测量信号间为线性关系时Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB使用节流装置测量出来的信号与流量之间成平方根关系，即QCp22max164QImAQ比值系数的计算--流量与其测量信号间为非线性关系时22222max21max2212121max1644441644mqxQmAQQImAKKImAQQmAQ比值系数的大小与工艺流量比值的值有关，也与变送器的量程有关。线性测量与非线性测量（平方根关系）情况下比值系数间的关系为：2KK非线性线性Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB双闭环比值控制系统的主流量回路为一定值系统，可按单回路定值控制系统进行整定。变比值按串级控制系统进行整定。单闭环比值控制系统、双闭环的副流量回路、变比值回路均为随动控制系统。对于随动系统的要求是希望副流量能快速、正确地跟随主流量的变化，一般希望随动控制为10：1振荡或不振荡。系统整定Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB反馈控制：根据偏差进行调节；采用闭环控制方式；可以克服多个扰动的影响，适应性强；控制器的控制规律通常是PID等控制规律；调节不及时。控制换热器出口温度反馈控制6前馈控制系统Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB前馈控制：根据扰动进行调节；采用开环控制方式；只能克服单一扰动的影响；控制器的控制规律是前馈控制规律。控制换热器出口温度的前馈控制Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB控制系统的被控变量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。不变性原理lim=0,0tytft绝对不变性：指系统在扰动量f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过渡过程中始终保持不变。即控制过程的动态和静态偏差均等于零。误差不变性：指系统在扰动量f(t)的作用下，被控变量y(t)在整个过渡过程中的偏差小于一个误差ε。稳态不变性：指系统在扰动量f(t)作用下，稳态时被控变量y(t)的偏差为零。即系统在稳态工况下被控变量与扰动量无关。0,0ytft,0ytftDept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB前馈控制前馈控制的理论基础是不变性原理或称扰动补偿原理。基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统。实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统。前馈控制能及时克服特定扰动的影响，如果设计合适的控制规律，可大大削弱扰动对被控变量的影响。如果扰动不可测量就不能采用前馈控制；如果前馈参数不合适反会扩大扰动的影响。Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB前馈控制规律0FFOFYsGsGsGsFsFFFOGsGsGs根据不变性原理的绝对不变性，扰动F(s)变化对被控变量无影响，即前馈控制器的控制算式：Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB静态前馈补偿静态前馈的目标为稳态不变性，即只在稳态下实现对扰动的补偿，而不考虑补偿过程中的动态偏差大小。静态前馈控制算式0FFFFFOKGKKKFF可以用实验的方法测量取得，也可以通过列写对象的有关静态方程来确定。静态前馈控制不包含时间因子，实施简便，当控制通道和扰动通道的时间常数相差不大时，应用静态前馈控制可以获得很好的控制精度。Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB前馈控制规律的实施则前馈控制器的形式为：1osoooKGseTs1FsFFFKGseTs11FFsoFFFFFTsGsKeTs若控制通道和干扰通道的特性分别为：通常采用近似式：FFoF121111oFFFFFFFTsTsGsKKTsTsT0TF时，补偿呈现超前特性；T0TF时，补偿呈现滞后特性；T0=TF时，补偿呈现比例特性。Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB前馈控制系统的使用原则系统中存在可测不可控、变化频繁、幅值大的主要干扰。扰动量可测量但不可控或不宜控扰动变量应是主要扰动，扰动变化频繁，幅度变化较大。扰动变量对被控变量影响大，用常规的反馈控制较难实现所需控制要求；控制通道的滞后太大或干扰通道的时间常数太小。T0/Td在0.7-1.3之间时，适合采用静态前馈控制。T0/Td大于1.3时，适合采用动态前馈控制。当T0/Td小于0.7时，无需采用前馈控制。应遵循经济性原则：反馈前馈，静态前馈动态前馈。Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB前馈-反馈系统的投运：先投反馈，后投前馈。前馈控制系统的投运和整定前馈控制系统参数整定的内容：确定静态前馈增益调整超前滞后环节的时间常数反馈回路和前馈控制分别整定，一般先反馈后前馈。整定时两者基本独立：整定反馈回路时，不考虑前馈部分，按反馈系统的原则进行；整定前馈控制器参数时，只考虑利用前馈来直接抵消干扰对被控量的影响。Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB加热炉炉膛温度控制系统。主要扰动因素：燃料压力波动、负荷波动。燃料一般采用煤气或燃油，为了保证燃烧充分，需要根据燃料量控制助燃空气量。生产过程中，负荷也会经常波动，要求系统能在负荷波动时仍然保证空燃比的稳定，既不过氧燃烧、又不冒黑烟。7过程控制系统工程应用实例：燃烧控制Dept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB稳态下可保证空燃比的恒定；空气或煤气流量回路的动态过程无法保证空燃比的恒定。温度-流量串级控制系统实现方案----串级平行控制方式TTTICFICFTFICFTFYDept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB负荷增加时，煤气先行增加，会造成煤气过量、空气不足从而冒黑烟的情况。负荷减小时，煤气先行减小，不会冒黑烟。温度-流量串级控制系统实现方案----燃料先行控制方式TTTICFICFTFICFTFYDept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB负荷增加时，空气先行增加，不会冒黑烟。负荷减小时，空气先行减小，会造成煤气过量、空气不足从而冒黑烟的情况。温度-流量串级控制系统实现方案----空气先行控制方式TTTICFICFTFICFTFYDept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB稳定工况下，相当于平行控制方式；负荷增加时，相当于空气先行方式，不会冒黑烟。负荷减小时，相当于煤气先行方式，不会冒黑烟。温度-流量串级控制系统实现方案----交叉控制方式TTTICFICFTFICFTFYLSHSFYa1/aDept.ofMeasurement-ControlTechnologyandInstrumentsUSTB最高效率对应的过剩空气率u在1.02～1.1。空气过剩率